大功率LED照明燈具性能研究文獻綜述

1、文獻綜述 題 目 大功率LED照明燈具 光學性能研究 學生姓名 劉英超 專業(yè)班級 電子科學與技術08-1班 學 號 200811010126 院 （系） 技術物理系 指導教師(職稱) 運高謙（講師） 完成時間 2012 年 6 月 1 日 大功率LED照明燈具光學性能研究本文通過對大功率LED在城市照明燈具設計應用中遇到的實際問題的詳細分析， 結合LED領域的技術現(xiàn)狀和行業(yè)特性，討論了LED燈具設計時拯待解決的系列問題。建議在加強行業(yè)合作和標準規(guī)范的同時，燈具制造企業(yè)對燈具進一步合理科學的優(yōu)化設計時，必須依賴于LED研制單位，力求在LED封裝時,能夠在思路上大膽創(chuàng)新，除了提高發(fā)光效率，在光學特

2、性和結構方面能為燈具設計者考慮得更多，這樣才能從根本上解決實際問題。以期共同克服制約LED應用和發(fā)展的瓶頸,共同推動LED照明產業(yè)的更加繁榮。1 大功率LED照明燈具的現(xiàn)狀和優(yōu)勢人類照明的光源先后經歷了白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈三個時代。LED作為第四代新光源1，具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、安全可靠性強，環(huán)保等優(yōu)良特性。許多城市已經利用LED光源照明技術在城市燈光環(huán)境建設中，產生了良好的效果，像護欄照明、廣場照明、庭院照明、投光照明、水下照明等系列。由于LED光源的顯著優(yōu)點和白光LED技術的日臻成熟，LED光源城市道路照明系統(tǒng)有著廣闊的應用前景。對節(jié)省建設資金，緩減用電矛盾，構

3、建節(jié)約型社會具有重大意義2。(1) 節(jié)能，安全性高：LED光源如果設計合理，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光發(fā)射來解決的二次取光及光損耗問題。所以燈具反射損失低，燈具整體光效高，如果采用PWM數(shù)字調光系統(tǒng)，更省電；目前白光LED的發(fā)光效率約為80lm/W，較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%60%。如果和太陽能系統(tǒng)直接配套，無需額外的逆變、轉換過程，能達到最大的能源利用率。(2) 低維護成本，安裝維護簡便: 如果燈具整體設計合理，大功率LED光源理論上可以正常使用10年不用更換，而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均1年半就要更換一次，所以可以大大降低維護成本。同時采用LED路燈除了在單燈成本及最初安裝的造價

4、比高壓鈉燈高外，在鋪設成本、耗電成本及壽命方面均大大優(yōu)于高壓鈉燈。由于驅動電流小、電纜、變壓器和工程費用也相應的減少。(3) 顯色性佳，配光容易：LED的顯色指數(shù)高(7590)，基本上接近自然光。光色可以人為控制，可以通過配光滿足不同照明領域的需求。對光照射區(qū)域的光色均勻度可控，能夠避免傳統(tǒng)光源單調色的現(xiàn)象。(4) 環(huán)保，便于管理：LED光源無輻射，更不會造成光污染；使用壽命長，不需要經常進行更換，管理維護方便3。2 現(xiàn)階段LED燈具性能上的缺陷(1) 發(fā)光效率較低，亮度不足，燈具的成本高：目前雖然試驗室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經超過了100lm/W，但量產的、性價比高的大功率白光LE

5、D發(fā)光效率還在80lm/W左右，在燈具設計中如果要提高整體的燈具亮度指標，勢必要增加LED的數(shù)量，從而增加燈具的成本4。(2) 地面對LED光的反射率低：由于目前白光LED光譜特征,路面及周邊物體對其反射率低，特別是瀝青路面，雖然地面的照度指標能達到要求，但路面的亮度較低， 與鈉燈的黃光相比，這是它的一個弱點。輸出功率及光通量的提高要從大功率白光LED的外延技術、芯片工藝等基礎層次進一步提升。(3) 當前技術下LED的光通量還不夠大，光效太低，色溫不易控制，造成燈具的整體品質難以保證；燈具的穩(wěn)定性，可靠性難以保證；有效光的照明角度偏小、分布不均勻，光學、散熱設計復雜5。3 大功率LED在燈具設

6、計中面臨的技術問題從目前市場上的LED燈具的分析結合實際的設計過程，大功率LED燈具目前存在的制約其應用的主要技術難點有以下幾個方面。這也是燈具制造企業(yè)和LED研制單位共同關心的關鍵問題。3.1 二次光學設計難度大LED照明屬于點光源，因此其光學設計，包括初級透鏡或反光裝置的設計和二次光學的設計等是一大應用難點6。LED路燈存在的特殊要求主要是LED光強和發(fā)光角度的設計，多顆LED組合時，必須考慮出光照射的區(qū)域。由于LED的光輻射形式有朗伯型、側射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領域，根據(jù)設計經驗朗伯型和蝙蝠翼型比較適用，通過合理的二次光學設計，能使LED的光照范圍、配光曲線基本上符合道路

7、照明的需求，但是很難做到理想化7。圖1和圖2的光學結構為目前路燈普遍采用的二次光學設計方案，但在細節(jié)上均存在著光損問題和路面分布不均勻的情況。當然也有些廠家采用直接出光(無二次光學系統(tǒng))的方法，雖然可以解決一些問題，但有相當一部分側射光白白浪費8。 圖1 拋物線的光學系統(tǒng) 圖2 透鏡的光學系統(tǒng)由于LED本身的發(fā)光原理和體系結構造就了在二次燈具應用設計中再次突破和創(chuàng)新受到極大的限制。當然，這方面諸如青蛙復眼原理的全向發(fā)光等方面的研究有待于進入應用領域9。3.2 光均勻性差大功率LED光源燈具目前普遍采用兩種成熟的方案，一種是使用小功率支架型LED作組合，一般多達上百顆甚至數(shù)百顆，電源設計復雜。另

8、一種是使用大功率LED管作陣列排布，效果較理想但價格相對高些。在城市道路照明燈具設計中，雖然通過兩種方案都解決了亮度不足問題，但由于路燈照明是遠距離，大范圍的覆蓋，所以目前的LED路燈普遍存在路面光均勻性差，形成斑馬紋,“暗帶”“亮帶”現(xiàn)象10。單個LED存在個體之間存在色差誤差，多個組合時，色差問題就很突出；雖然可以通過配光改善光色，但是要徹底達到理想的自然光效目前還處在摸索階段。3.3 燈具的散熱結構設計有待進一步突破和提升由于LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以散熱是LED路燈需要重點解決的問題之一11。LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大，并且戶外的使用環(huán)境本身比較苛刻，如果散熱

9、不良會直接導致LED快速老化，穩(wěn)定性降低,除了需要LED本身具有好的散熱結構外，應該將路燈的殼體做為散熱的重要渠道。一般設計時將散熱面位于側上面且加散熱鰭片(如圖1和圖2的結構)這樣有利于空氣的自然對流散熱。但是這就要求燈具必須有足夠的散熱面積從而增加了燈具的體積。如果采用圖3風孔式對流的散熱方案，則可以適當縮小燈具的體積。目前正在實驗階段的還有采用風扇輔助風冷和毛細管水冷的方案,期待能很快的得以應用。圖3 一種風孔式對流的散熱系統(tǒng)3.4 燈具的外觀造型受到限制由于LED燈具需要較好的散熱系統(tǒng)，加之LED光源的單向性，使得燈具的外觀造型和材料的選用上都受到了很大的局限，很難作到流線型的外觀。且

10、要達到IP65的防護等級要求，這些都得從加工工藝上來保證12。3.5 缺少相關標準和行業(yè)政策的支持雖然部分企業(yè)聯(lián)合學術界對LED路燈相關問題進行了研討，但還無相關行業(yè)標準規(guī)范,無法全面推廣，造成LED生產廠家和燈具生產廠家存在技術上的銜接障礙，幾個主要參數(shù)如色溫、顯色性(顯色指數(shù))和眩光等尚未明確的規(guī)定。4 對LED照明產業(yè)的期望和建議現(xiàn)有的路燈標準是建設部新制定的“城市道路照明設計標準”(CJJ45-2006)，于2007年7月1日開始執(zhí)行，其中未提到使用LED路燈的問題13。在此，相關部門應組織有關人員認真討論，采用LED路燈能否符合上述設計標準或需要提出哪些補充修改意見作為正式的標準規(guī)范

11、要求。另外，應該盡快制定適合LED路燈的道路路面測試方法標準，制定LED路燈的燈具(含LED燈)標準，提出LED路燈的主要參數(shù)包含色溫、顯色指數(shù)、眩光、發(fā)光強度(或照度)、角度以及熱阻和可靠性等指標要求，制定LED路燈的燈具測試方法標準,建立公正的權威的LED路燈相關檢測機構14。隨著LED照明技術在路燈上的進一步應用，其自身技術上的特殊要求主要體現(xiàn)在以下兩個方面：首先，要有良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性和流明維持性，不能衰減太快。其次，光色的一致性和可維持性要好，不能因為較長時間使用而光色發(fā)生變化。LED封裝企業(yè)做到了這兩點，燈具生產企業(yè)設計時做好燈具的整體散熱效果，提高二次光學設計的效果，這樣LED

12、作為城市路燈照明的主體才有可能得到行業(yè)的認同和支持15。所以建議：LED城市照明燈具的設計與應用除了燈具制造企業(yè)在竭盡全力進行各種優(yōu)化設計，發(fā)揮更多的創(chuàng)新和突破外，主要的任務還得依賴LED生產和研發(fā)機構來從LED晶片和封裝技術上能夠有所突破。特別是制約目前其應用的最大障礙和瓶頸的光學方面的缺陷，迫切需要進行改進和提升16。特別是在提高散熱效率、驅動控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設計方面還有非常大的提升空間，還有大量的研發(fā)工作需要深入開展。LED照明要完全取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源, 還需業(yè)界共同攜手來進一步的研究和探討，LED光源生產廠家更要結合路燈行業(yè)的實際情況，生產符合路燈的實際使用

13、工作環(huán)境所需的光源，盡可能的去解決LED光源在照明應用中存在不足,真正讓LED大功率照明得以廣泛的應用。參考文獻1 崔元日,潘蘇予.第四代照明光源一白光LED，燈與照明，Vol.28,No.2, p31-34(2004)2 方佩敏.LED照明燈的發(fā)展概況J.今日電子，2007(12).62-64.3 易安.半導體照明21世紀的節(jié)能新光源，中國創(chuàng)業(yè)投資與新科技(2004.8).4 劉行仁，薛勝,黃德森.白光LED現(xiàn)狀和問題，光源與照明，No.3(2003).5 方志烈.LED白色照明光源，國際光電與顯示，Vol.12,p58-59(2000). 6 梁程遠.LED的二次配光設計D.杭州:浙江大學

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